基于嵌入式Cramfs 的根文件系統(tǒng)配置新方法

摘 要:根文件系統(tǒng)是構(gòu)建一個(gè)Linux 嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，目前嵌入式系統(tǒng)可以選 擇的根文件系統(tǒng)有：Romfs、Cramfs、Ramfs、Jffs2、Ext2 等，而目前廣泛使用的Cramfs 根文件系統(tǒng)是只讀型文件系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用程序往往需要對(duì)根文件系統(tǒng)進(jìn)行讀、寫 操作的，因此，如果針對(duì)Cramfs 系統(tǒng)直接進(jìn)行寫操作就會(huì)造成系統(tǒng)錯(cuò)誤。文中提出了配置 Cramfs 根文件系統(tǒng)的新方法，實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠使Cramfs 滿足應(yīng)用程序的讀、寫要 求，并能夠保障系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也減小了根文件系統(tǒng)所占用的存儲(chǔ)空間。

1 引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，基于 ARM 技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)平臺(tái)越來越多地在控制 類、消費(fèi)類、通信類等電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。從軟件角度上看，構(gòu)建基于ARM 技術(shù)的linux 系統(tǒng)要涉及到引導(dǎo)加載程序、Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序幾部分的設(shè)計(jì)。 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中用來管理用戶文件的內(nèi)核軟件層。文件可能存在于磁盤、網(wǎng)絡(luò)或 者是一些虛擬的文件。文件系統(tǒng)包括根文件系統(tǒng)和建立于內(nèi)存設(shè)備之上文件系統(tǒng)。根文件系 統(tǒng)是linux 系統(tǒng)的核心部分，包含系統(tǒng)使用的軟件和庫，以及所有用來為用戶提供支持架構(gòu) 和用戶使用的應(yīng)用軟件，并作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀寫結(jié)果的區(qū)域。由于嵌入式設(shè)備中Flash 資源很 緊張，如何有效地使用有限的存儲(chǔ)空間是嵌入式開發(fā)者必須考慮的，合適的文件系統(tǒng)格式是 解決這一問題的關(guān)鍵所在。本文討論了只讀型壓縮Cramfs 根文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，并詳細(xì)的說 明了NAND FLASH 上建立一個(gè)可讀可寫型嵌嵌入式Linux 的Cramfs 根文件系統(tǒng)的新方法。

2 Linux 根文件系統(tǒng)概述

2.1 Linux根文件系統(tǒng)

根文件系統(tǒng)不同于普通文件系統(tǒng)，它是在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)掛載(mount)的第一個(gè)文件系統(tǒng)， 內(nèi)核代碼映像文件保存在根文件系統(tǒng)中，而系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)程序會(huì)在根文件系統(tǒng)掛載之后把一 些基本的初始化腳本和服務(wù)程序等加載到內(nèi)存中。

Linux 根文件系統(tǒng)是樹型結(jié)構(gòu)組織[1,3]，它包含了內(nèi)核和系統(tǒng)管理所需要的各種文檔和程序等。一般來說，根目錄“/”下頂層目錄都有一些比較固定命名和用途，下面列出一

個(gè)Linux 根文件系統(tǒng)中的比較常見的目錄結(jié)構(gòu)。

/bin：存放二進(jìn)制可執(zhí)行命令的目錄。

/dev：存放設(shè)備文件和目錄。

/etc：存放系統(tǒng)管理和配置文件和目錄。

/home：用戶主目錄，比如用戶user 的主目錄就是/home/user,可以用~user 來表示。

/lib：存放動(dòng)態(tài)鏈接共享庫的目錄。

/sbin：存放系統(tǒng)管理員使用的管理程序的目錄。

/tmp：公用的臨時(shí)文件存儲(chǔ)點(diǎn)。

/root：系統(tǒng)管理員的主目錄。

/mnt：用以臨時(shí)掛載其他的文件系統(tǒng)。

/proc：虛擬文件系統(tǒng)，可直接訪問這個(gè)目錄來獲取系統(tǒng)信息。

/var：某些大文件溢出區(qū)。

/usr：存放應(yīng)用程序和文件。

對(duì)于嵌入式 Linux 系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)來說，由于受系統(tǒng)資源的限制，一般沒有上述 那么復(fù)雜，僅保留一些常用的目錄即可。如/bin、/dev、/etc、/lib、/proc、/var、/tmp、/usr、 /mnt 等[2]。 由于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冗余度小、系統(tǒng)緊湊，通常存儲(chǔ)容量有限，因此，必須選擇 一個(gè)合適的根文件系統(tǒng)以使系統(tǒng)運(yùn)行最佳。目前，嵌入式Linux 根文件系統(tǒng)主要的根文件系 統(tǒng)類型有：Romfs, JFFS2, RAMDISK, YAFFS/YAFFS2, Cramfs, Squashfs 等[1]。本文主要對(duì) Cramfs 根文件系統(tǒng)進(jìn)行討論。

2.2 Cramfs根文件系統(tǒng)及其在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

Cramfs 是Linux 的創(chuàng)始人 Linus Torvalds 參與開發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)，它基于 MTD(Memory Technology Device,存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備)驅(qū)動(dòng)程序。在cramfs 文件系統(tǒng)中，每一頁 (4KB)被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁訪問，其壓縮比高達(dá)2:1,為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash 存儲(chǔ) 空間，使系統(tǒng)可通過更低容量的FLASH 存儲(chǔ)相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs 并不 需要一次性地將文件系統(tǒng)中的所有內(nèi)容都解壓到內(nèi)存中，而只是在系統(tǒng)需要訪問某個(gè)位置的 數(shù)據(jù)時(shí)，立即計(jì)算出該數(shù)據(jù)在Cramfs 中的位置，將其實(shí)時(shí)地解壓縮到內(nèi)存中，然后通過對(duì) 內(nèi)存的訪問來獲取文件系統(tǒng)中需要讀取的數(shù)據(jù)。Cramfs 中的解壓縮以及解壓縮之后內(nèi)存中 的數(shù)據(jù)存放位置都是由Cramfs 文件系統(tǒng)本身進(jìn)行維護(hù)的，用戶并不需要了解具體實(shí)現(xiàn)過程， 因此這種方式增強(qiáng)了透明度，對(duì)開發(fā)人員來說，既方便又節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

由于 Cramfs 是只讀型文件系統(tǒng)，而大多嵌入式應(yīng)用程序需要在臨時(shí)目錄/tmp 進(jìn)行創(chuàng)建 臨時(shí)文件等寫操作，如不對(duì)Cramfs 進(jìn)行配置，則應(yīng)用程序?qū)⒉荒苷＿\(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。 目前，解決些問題的方法是復(fù)合文件系統(tǒng)法，即使用YAFFS/YAFFS2 等可寫型文件系統(tǒng)與 Cramfs 復(fù)合而成的文件系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)，使Cramfs 根文件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)掛 載YAFFS/YAFFS2 文件系統(tǒng)，同時(shí)將應(yīng)用程序存放在YAFFS/YAFFS2 文件系統(tǒng)中。這種方 法解決了應(yīng)用程序?qū)Ω募到y(tǒng)的寫操作問題，但由于在通常的根文件系統(tǒng)之外還增加了一 個(gè)額外的可寫型文件系統(tǒng)，必然會(huì)增大整個(gè)根文件系統(tǒng)所占的存儲(chǔ)空間，造成嵌入式系統(tǒng)存 儲(chǔ)資源緊張。本文在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過對(duì)Linux Cramfs 根文件系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了一種通 過修改根文件系統(tǒng)啟動(dòng)腳本和配置文件來實(shí)現(xiàn)根文件系統(tǒng)的可讀、可寫性的新方法，它不需 要新增額外的文件系統(tǒng)來支持應(yīng)用程序的讀、寫要求，而是利用根文件系統(tǒng)本身的特性來構(gòu) 造一個(gè)局部可寫的根文件系統(tǒng)。

3 嵌入式Linux 根文件系統(tǒng)的配置

3.1 Cramfs根文件系統(tǒng)配置文件的分析

Cramfs 根文件系統(tǒng)中的配置文件存放在/etc 目錄下，有22 個(gè)文件及文件夾，可分為以 下幾類：

引導(dǎo)和登錄/注銷類，包括/etc/issue、/etc/issue.net、/etc/rc.d/rc、/etc/rc.d/rc.local、 /etc/rc.d/rc.sysinit、/etc/rc.d/rc/rcX.d 等文件，它們主要記錄系統(tǒng)的啟動(dòng)信息及運(yùn)行級(jí)別等。

文件系統(tǒng)類，包括/etc/mtab、/etc/fstab、/etc/mtools.conf 文件等，它們記錄著系統(tǒng)文 件系統(tǒng)的安裝、卸載信息，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)可以被安裝的文件系統(tǒng)以及在這些文件系統(tǒng)上所定 義的操作。

系統(tǒng)管理類，包括/etc/group、/etc/nologin、/etc/passwd、/etc/rpmrc、/etc/securetty、 /etc/usertty、/etc/shadow、/etc/shells、/etc/motd 等文件，它們記錄著系統(tǒng)用戶和用戶組的登 錄信息、加密后的用戶帳號(hào)密碼信息、用戶組的權(quán)限信息等。[!--empirenews.page--]

網(wǎng)絡(luò)類，包括/etc/gated.conf、/etc/networks、/etc/protocols、/etc/gateway、/etc/services、 /etc/inetd.conf、/etc/sysconfig/netword、/etc/recolv.conf、/etc/rpc、/etc/exports 等文件，它們 記錄著系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的配置信息、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)配置等信息。

系統(tǒng)命令類，包括/etc/lilo.conf、/etc/logrotate.conf、/et/identd.conf、/etc/ld.so.conf、 /etc/inittab、/etc/termcp 等文件，這些文件記錄著要獨(dú)占地控制系統(tǒng)的系統(tǒng)命令及動(dòng)態(tài)鏈接 程序配置等信息等。

系統(tǒng)初始化腳本類，包括/etc/init.d 和/etc/rc/init.d 等文件，它們包含一些系統(tǒng)服務(wù)類 程序及系統(tǒng)啟動(dòng)腳本。

根文件系統(tǒng)對(duì)掛載文件系統(tǒng)的配置主要由兩個(gè)文件決定，即fstab、init.d/rcS[3]，fstab 描述了當(dāng)前系統(tǒng)中已被定義好的可以被系統(tǒng)掛載的文件系統(tǒng)，init.d/rcS 文件描述了系統(tǒng)啟 動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)的命令、服務(wù)程序及將要掛載的的文件系統(tǒng)。

由此可見，要使 Cramfs 根文件系統(tǒng)能滿足應(yīng)用程序的讀寫要求，必須在系統(tǒng)啟動(dòng) 時(shí)為應(yīng)用程序掛載一個(gè)可寫型的文件系統(tǒng)，即配置/etc/fstab 及/etc/init.d/rcS 文件來掛載可寫 型的文件系統(tǒng)。

3.2 為Crmafs文件系統(tǒng)添加應(yīng)用程序

要發(fā)布應(yīng)用程序到嵌入式系統(tǒng)中，須將應(yīng)用程序及應(yīng)用程序所需要的共享庫文件一起 添加到根文件系統(tǒng)中。根文件系統(tǒng)可以根據(jù)需要定制，但這樣需要花費(fèi)大量時(shí)間且工作量 大;也可以修改已有的根文件系統(tǒng)，這樣可以節(jié)省大量的時(shí)間和精力，且不易出錯(cuò)[4]。

以下 是以藍(lán)海微芯LJD-2410DVK-I 嵌入式開發(fā)板所提供的root.cramfs 根文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行修 改和配置的，root.cramfs 是只讀型的文件系統(tǒng)，為了能向里邊加入用戶應(yīng)用程序，需要將其 重新掛載、壓縮及解壓縮成新的目錄，步驟如下：

在root.cramfs 的相同目錄下新建立一個(gè)目錄，如myroot。

在終端中執(zhí)行命令：mount -o loop root.cramfs myroot, tar –cvf myroot.tar myroot。這兩條 命令的功能分別是將已有的root.cramfs 以塊設(shè)備的方式掛載到myroot 并將myroot 壓縮為 myroot.tar。

為不出現(xiàn)目錄重名，將 myroot.tar 拷貝到另一目錄進(jìn)行解壓：tar –xvf myroot.tar，解壓 出來的文件夾myroot 即是即將作為根文件系統(tǒng)的目錄，它是可讀可寫的。

將已經(jīng)交叉編譯并調(diào)試過的用戶目標(biāo)程序拷貝到myroot 目錄下的/usr/bin 目錄下，此目 錄為根文件系統(tǒng)中為用戶程序準(zhǔn)備的目錄。同時(shí)將用戶程序所需要用到的關(guān)聯(lián)庫文件拷貝到 myroot 目錄下的/usr/lib 目錄下，用戶程序的關(guān)聯(lián)庫文件可通過ldd 命令查看，ldd 命令格式 如下：

Ldd [選項(xiàng)] 文件

選項(xiàng)有-v：打印ldd 的版本號(hào);-d：執(zhí)行符號(hào)重部署，并報(bào)告缺少的目標(biāo)對(duì)象(只對(duì)ELF 格式適用);-r：對(duì)目標(biāo)對(duì)象和函數(shù)執(zhí)行重新部署，并報(bào)告缺少的目標(biāo)對(duì)象和函數(shù)(只對(duì)ELF 格式適用);-h：幫助信息。

執(zhí)行如下命令來查看應(yīng)用程序所關(guān)聯(lián)的庫：

Ldd –v 程序名

將交叉編譯工具目錄下的/3.4.1/arm-linux/lib 下的libgcc-s.so.*,libstdc++.so.6 復(fù)制到 myroot 目錄下的/root/lib 目錄下。

3.3 配置Cramfs根文件系統(tǒng)

為使Cramfs 能支持應(yīng)用程序的寫操作，需要修改文件系統(tǒng)的配置文件，即/etc 目錄下的 文件。

(1) 修改/etc/init.d/rcS 文件

/etc/init.d/rcS 是Linux 的系統(tǒng)初始化腳本，修改步驟如下：

用 vi 或其它文本工具打開myroot 目錄下的/etc/init.d/rcS 文件;

在文件中增加：

/bin/mount –n –t ramfs ramfs /mnt/yaffs(yaffs 是文件系統(tǒng)的一個(gè)目錄);

/bin/mkdir /mnt/yaffs/Qtopia;

/bin/mkdir /mnt/yaffs/Qtopia/tmp。

保存并退出 vi 或文本工具。

根文件系統(tǒng)的配置如圖 1 所示。

 

 

圖1 根文件系統(tǒng)的配置

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)并執(zhí)行到系統(tǒng)初始化腳本/etc/init.d/rcS 時(shí)，mount 命令將/mnt/yaffs 目錄掛載 為ramfs 類型的隨機(jī)存儲(chǔ)文件系統(tǒng)，并在此文件系統(tǒng)上建立Qtopia 和Qtopia/tmp 目錄[5]， /Qtopia/tmp 目錄即為應(yīng)用程序可能對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行寫操作的臨時(shí)文件目錄，故應(yīng)用程序便可 對(duì)/mnt/yaffs 目錄進(jìn)行讀寫操作，保障有讀寫操作要求的應(yīng)用程序的正常執(zhí)行。

(2) 修改/etc/profile 文件

用 vi 或其它文本工具打開myroot 目錄下的/etc/profile 文件;

將 PATH 改為：PATH=/bin: /sbin: /usr/sbin: /用戶程序目錄名

在文件中新增以下語句：

LD_LIBRARY_PATH=/lib: /usr/lib: /用戶庫目錄名

export PATH LD_LIBRARY_PATH

保存并退出 vi 或文本工具。

其中，修改環(huán)境變量 PATH 的目的是使系統(tǒng)命令/程序目錄擴(kuò)展到用戶程序目錄，這樣， 當(dāng)執(zhí)行用戶應(yīng)用程序時(shí)，系統(tǒng)才能找到相應(yīng)的共享文件等;修改LD_LIBRARY_PATH 的目的是將系統(tǒng)的共享庫路徑擴(kuò)展為包含系統(tǒng)程序和用戶程序庫文件路徑的庫文件路徑，以便在 運(yùn)行用戶程序時(shí)能使系統(tǒng)找到應(yīng)用程序所使用的庫文件。

4 制做Cramfs 根文件系統(tǒng)

制做Cramfs 根文件系統(tǒng)，即是把上述配置好的myroot 目錄文件夾壓縮成為能夠讓Linux 內(nèi)核支持的Cramfs 格式的映像文件[6]。

制做 Cramfs 根文件系統(tǒng)需要用到mkcramfs 工具，mkcramfs 工具用來創(chuàng)建Cramfs 文件系統(tǒng)，它能把配置好的根文件系統(tǒng)壓縮成Cramfs 格式的根文件系統(tǒng)，壓縮比可達(dá)到2：

1，下面是mkcramfs 命令的格式：

mkcramfs [-h] [-e edition] [-i file] [-n name] dirnAME outfile

其中參數(shù)含義分別是-h：顯示幫助信息;-e edition：設(shè)置生成的文件系統(tǒng)中的版本 號(hào);-i file：將一個(gè)文件映象插入到文件系統(tǒng)中(只能在Linux2.4.0 以后的內(nèi)核版本中使用); -n name：設(shè)定Cramfs 文件系統(tǒng)的名稱;dirname：指明需要被壓縮的整個(gè)目錄樹;outfile： 最終輸出的文件。

將mkcramfs 工具拷貝到myroot 相同目錄下，在終端中執(zhí)行：[!--empirenews.page--]

mkcramfs myroot myroot.cramfs

此命令所生成的myroot.cramfs 即為可下載到開發(fā)板上的根文件系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

通過對(duì)嵌入式Linux 根文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，提出了基于Cramfs 根文件系統(tǒng)配置 的新方法，使嵌入式根文件系統(tǒng)具有了可讀、可寫的功能，同時(shí)也減小了根文件系統(tǒng)所占的 存儲(chǔ)空間。